某臨河泵站抽水試驗分析

羅永海

（甘肅省水利水電勘察設計研究院有限責任公司,甘肅 蘭州 730000）

0 概況

甘肅省某引水工程屬Ⅱ等工程,工程規模為大（2）型。引水方案為黃河岸邊式方案,為加快工程建設進度,縮短臨時工程工期,降低導流風險,經各方協調一致認為泵站需在本年度汛尾期進行施工。且方案調整為引水式布置方案。泵站位于黃河右岸Ⅰ級階地：地貌單元屬黃河河谷階地區,地形平坦開闊。階面最寬處可達700 m 以上,階面高出河床5 m～8 m。因泵站基坑最大挖深16 m,且泵站臨河,有強透水性土層,為查明土層的滲透系數,計算泵站基坑的涌水量,此次勘察設計了抽水試驗。

1 區域地質概況

工程區處于青藏高原北部地震亞區六盤山-祁連山地震帶。地震活動具有叢狀分布特征,在歷史地震震源區及附近,現今中小地震十分活躍,震源深度及分布相接近。地震活動在時間、強度上顯示出非均一性,并呈現強弱相互交替[1]。泵站大地構造位處靖遠坳陷帶,以會寧-義崗斷裂為界處于西鞏-會寧隱伏基底隆起以東,六盤山褶帶以西,北西向展布,西北寬,東南窄。坳陷帶內下古生界褶皺基底深200 m～600 m,上覆古近系礫巖、新近系泥質類巖石和第四系黃土。

根據鉆孔揭露該泵站地層巖性由新到老依次為沖積粉質壤土夾中細砂層（Q42al）,分布于泵站地表,淺黃色,干燥～稍濕,厚度5 m～7 m,結構稍密,土質不均,孔隙發育；沖積砂卵礫石（Q42al）,青灰色,分布于粉質壤土夾中細砂下部,厚9 m～10 m,結構中密～密實,偶夾中細砂透鏡體,強透水性；新近系上新統（N2）淺紅色泥巖,局部夾薄層石膏,泥質膠結。

工程區緊鄰黃河,地處河谷盆地,區內地下水主要為第四系松散堆積物孔隙性潛水。第四系孔隙性潛水賦存黃河河床及Ⅰ級階地砂卵礫石層中,地下水受地表水、大氣降水入滲補給,沿河谷向下游潛流。Ⅰ階地地下水埋深6.5 m～7.6 m,水位隨黃河水位有起伏變化。

2 抽水方案及試驗成果

含水層位于沖積砂卵礫石層中,根據顆分資料,不均勻系數Cu=189～272,曲率系數Cc=4.2～23.6,為級配不良土。泵站基坑開挖深度16 m,基礎位于相對隔水層泥巖上,根據泵站布置輪廓線,布置抽水孔及觀測孔,見圖1。

圖1 抽水孔鉆孔布置圖

抽水孔及觀測孔深度皆深入相對隔水層新近系泥巖中,以鉆孔ZK04 為抽水孔,鉆孔ZK04 距黃河50 m,距各抽水孔距離11.47 m～36.53 m。鉆孔ZK04 新近系泥巖埋深16 m,地下水位埋深7.3 m,抽水孔孔徑0.063 m。抽水孔試驗成果表見表1,觀測孔水位降深統計表見表2。

表1 抽水孔試驗成果表

表2 觀測孔水位降深統計表

抽水試驗過程中對抽水孔和各觀測孔的地下水位進行實時觀測,每段降深時,初期各觀測孔水位均快速下降,距離抽水孔越近地下水位下降越快且下降幅度越大,水位下降由近及遠表現出一定的滯后性。

通過抽水孔水位觀測,Q-S 曲線繪見圖2。分析可知,抽水初期地下水降落漏斗開始形成并不斷擴展,抽水穩定后降落漏斗不再變化,抽水孔附近 15 m 以內水位降深明顯,水力坡降數值較大,隨著距離增加水力坡降逐漸減小直至保持不變。因此,抽水穩定后地下水基本處于穩定層流狀態,宜采用穩定流計算模型評價含水層水文地質參數。

圖2 抽水孔鉆孔布置圖

3 抽水試驗成果分析

覆蓋層底部為新近系泥巖（N2）,泥質膠結,吸水率約為5%,較致密～致密,相對于砂卵礫石層透水率極低,視為相對隔水層,故本次抽水井為潛水完整井。根據試驗觀測,距抽水孔36.53 m 處的最遠觀測孔水位降深約8 cm,抽水孔距黃河50 m,也即抽水影響半徑不大于50 m。根據觀測孔水位降深確定影響半徑為46 m。

（1）單孔抽水滲透系數計算

本次抽水試驗為鄰河的穩定流潛水完整井,含水層滲透系數采用適用于穩定流潛水完整井的裘布衣公式（1）進行分析計算[2],計算成果見表3。

表3 鉆孔抽水試驗計算成果表

式中：K 為滲透系數,m/d；R 為影響半徑,取46 m；H 為潛水含水層厚度,取8.7 m；Q 為單位時間流量,m3/d；S 為水位降深,m；r 為孔徑,取0.063 m。

通過（1）式計算,可知砂卵礫石層滲透系數14.5 m/d～18 m/d。

（2）多孔抽水滲透系數計算

抽水試驗過程中對抽水孔和各觀測孔的地下水位進行實時觀測,當抽水水位降深在2.8 m 時,隨著抽水時間的不斷延續,水位下降趨緩,一定時間后水位基本穩定,各觀測孔水位不再下降,觀測孔水位降深見表2。

依據穩定抽水量及各觀測孔穩定水位降深,選取距抽水孔約11.47 m 的觀測孔（ZK05）計算,本次抽水試驗為穩定流潛水完整井,含水層滲透系數采用適用于穩定流潛水完整井的裘布衣公式[2]（2）進行分析計算,計算成果見表4。

表4 鉆孔抽水試驗計算成果表

式中：K 為滲透系數,m/d；b 為影響半徑,取46 m；H 為潛水含水層厚度,取8.7 m；Q 為單位時間流量,m3/d；S1為觀測孔的降深,m；r1為觀測孔距離抽水孔的距離,取11.47 m。

通過（2）式計算,可知砂卵礫石層滲透系數18.5 m/d～9.55 m/d。

滲透系數的大小主要取決于孔隙的大小、形狀和連通性,也取決于水的粘滯性和容量；因勘察期平均氣溫低于-15℃,鉆孔抽水試驗測定的滲透系數可能比實際偏小[2]。

根據單孔抽水滲透系數計算和多孔抽水滲透系數計算分析結果對比,單孔抽水滲透系數計算未考慮臨河因素,滲透系數明顯偏小,而多孔抽水滲透系數計算考慮了臨河因素,其計算結果較為精確。

綜合對比分析,建議泵站基坑降水方案設計時砂卵礫石滲透系數取大值29.55 m/d。

4 結論

以甘肅省某大（2）型工程為背景,對黃河河沿岸階地型泵站基坑進行了野外抽水試驗分析,通過室內試驗成果整理,取得了以下具有普適意義的結論：

（1）在抽水試驗過程中,對抽水后降深進行觀測,初期觀測孔水位下降較快,距抽水孔距離越近,水位下降越快且下降幅度越大,水位下降由近及遠表現出一定的滯后性。

（2）抽水初期地下水降落漏斗開始形成并不斷擴展,抽水穩定后降落漏斗不再變化,抽水孔附近水位降深明顯,水力坡降數值較大,隨著距離增加水力坡降逐漸減小直至保持不變。抽水穩定后地下水基本處于穩定層流狀態。

（3）滲透系數的大小主要取決于孔隙的大小、形狀和連通性,也取決于水的粘滯性和容量；單孔抽水滲透系數計算未考慮臨河因素,滲透系數明顯偏小,而多孔抽水滲透系數計算考慮了臨河因素,其計算結果較為精確。因此,根據工程實際工況,選擇比較適宜的計算模型非常必要。此外水的粘滯性受溫度的影響較大,滲透系數宜進行溫度修正。